基于ABAQUS分析某土石混填超高路堤加固方案

馬 耕

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350000)

0 引言

隨著我國道路工程的快速發(fā)展，山區(qū)道路建設(shè)也進(jìn)入黃金期[1-3]。但山區(qū)地形復(fù)雜，山峰陡峭，橋隧工程占比較大，導(dǎo)致道路建設(shè)過程中挖方量很大，很難找到合適的棄土場。因此，當(dāng)?shù)缆窓M穿溝谷時，采用填方路堤替代橋梁能夠有效解決土石方平衡的問題；一方面，大量棄土棄石能夠得到有效利用；另一方面，造價也小于架橋，具有很高的環(huán)境保護(hù)價值和經(jīng)濟(jì)價值[4-5]。隨著我國路堤填筑數(shù)量的增加，超高路堤的填筑也屢見不鮮，然而能對超高路堤穩(wěn)定性和變形性產(chǎn)生較大影響的因素很多，如果加固措施處理不當(dāng)，極易導(dǎo)致局部滑坡和整體失穩(wěn)[6]。

福建某地區(qū)高等級公路建設(shè)過程中所填筑的超高路堤，填方量大，地形復(fù)雜，地質(zhì)情況多變，坡腳處存在軟弱層，路堤穩(wěn)定性很差，必須對此超高路堤進(jìn)行系統(tǒng)化加固并逐步完善。針對該工程情況，雖然目前國外內(nèi)路堤加固工程很多，如：2012年蔣鑫等[1]利用FLAC3D探討抗滑樁加固下存在軟基的斜坡力學(xué)特性和穩(wěn)定性變化情況；2017年顧行文等[7]對管樁加固高路堤軟基的破壞模式進(jìn)行了系統(tǒng)研究；2018年鄒昌敏[8]對某土質(zhì)路堤高邊坡施工治理方案合理性進(jìn)行了理論分析等，但在如此復(fù)雜情況下土石混填超高路堤的加固方案研究，目前國內(nèi)外還尚未有過，其他路堤加固措施可借鑒性也很低。

鑒于此，本文依托福建某地區(qū)高等級公路建設(shè)過程中所填筑的超高路堤為例，利用ABAQUS有限元軟件，在考慮實(shí)際地質(zhì)和地形因素情況下，提出加固措施，分析加固效果，并逐步完善加固方案。因?yàn)橛邢拊浖哂袕?qiáng)大的非線性功能和簡便的建模功能[9-10]，是巖土工程中常用的分析軟件。借助有限元軟件能夠預(yù)測超高路堤破壞面產(chǎn)生位置，進(jìn)一步改進(jìn)加固方案，有效提高方案可靠性和有效性，分析結(jié)果可為今后此類超高路堤加固工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

該工程位于福建某地區(qū)，全長12 972m，共填筑5處路堤，其中本例超高路堤全長86m，夾于武陵山與頂背巖之間，地勢東高西低，地形復(fù)雜，填筑高度大，斷面寬度大，地面坡度陡，起伏變化大。山體表層為強(qiáng)風(fēng)化巖，深層為凝灰熔巖，地質(zhì)情況較好，但路堤坡腳處存在軟弱層，對路堤穩(wěn)定性和變形性產(chǎn)生不利影響。超高路堤填料由兩側(cè)開挖兩個特長隧道過程中產(chǎn)生大量的棄石和棄土，按4∶5的比例制成土石混合料。

2 加固方案

由于該超高路堤坡腳處存在軟弱層，故，首先需對軟弱層進(jìn)行加固處理，形成方案一；基于對方案一的有限元計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，在方案一基礎(chǔ)加設(shè)抗滑樁，形成方案二；在方案二的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加鋪土工格柵，形成方案三；為進(jìn)一步減小路堤變形，在方案三的基礎(chǔ)上對路堤填料進(jìn)行強(qiáng)夯處理，形成方案四。具體加固方案如表1所示。

表1 路堤加固方案

3 有限元分析

3.1 模型建立與分析

(1)建立幾何模型

如圖1所示，模型自上而下，分為4種土體，路堤總高68m，采用8級階放坡，坡率均為1∶1.5，其中自下而上的第二階和第八階放坡，高度為10m,其余各級放坡高度均為8m，各級邊坡間設(shè)2m寬護(hù)坡道，路堤頂面寬60m。參照實(shí)際地形情況與研究對象的主次，充分借鑒王玉生等[11]及袁明蓬等[12]討論樁對其他部件進(jìn)行穩(wěn)定性分析的研究成果，認(rèn)為考慮樁距對路堤的影響可以簡化處理，即本文研究問題可按二維平面應(yīng)變問題來簡化模型。依次按上文所設(shè)計(jì)的4個方案，加固最終完成后，如圖2所示。

圖1 模型示意圖

圖2 有限元模型

(2)定義材料參數(shù)

根據(jù)地勘報告和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，參考?xì)W陽君等[13]、李亞生等[14]及李德武等[15]對于簡化本構(gòu)模型的處理方法，最終試驗(yàn)土體材料參數(shù)與加固材料參數(shù)按表2所示取得。其中，對路堤土石混合料進(jìn)行強(qiáng)夯后，根據(jù)錢家歡[16]等提出的經(jīng)驗(yàn)公式：E1=E×N0.516

其中，E為原填筑體彈性模量；

N為強(qiáng)夯次數(shù)；

E1為強(qiáng)夯N次后填筑體彈性模量。

路堤彈性模量變?yōu)?5.8MPa，其余材料參數(shù)不變。

表2 材料參數(shù)

(3)分析步設(shè)置

①Geostatic重力分析步設(shè)置。運(yùn)用ABAQUS單元生死功能，先將填土和加固設(shè)施撤去，單獨(dú)對山體進(jìn)行自動平衡，令山體獲得無初始應(yīng)變而有初始應(yīng)力的初始平衡狀態(tài)；

②Static靜力分析步設(shè)置。添加加固設(shè)施和填筑超高路堤；

③Static靜力分析步設(shè)置。進(jìn)行強(qiáng)度折減，獲得路堤安全系數(shù)。

(4)相互作用

樁與土體的接觸面，采用法向硬接觸，切向摩擦系數(shù)混凝土樁與土取0.3，抗滑樁與路堤部分及強(qiáng)風(fēng)化巖部分取0.55，與凝灰熔巖部分取0.8。土工格柵運(yùn)用Embedded region(嵌入功能)嵌入土體。

(5)模型荷載及邊界條件

固定模型底部X方向、Y方向位移，約束模型兩側(cè)水平位移。利用ABAQUS的單元生死功能，依次添加加固措施和超高路堤，逐步完成加固方案。

(6)網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分與單元類型決定了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。對主要分析的路堤和加固設(shè)施進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。土工格柵采用桁架單元模擬，單元類型為T2D2，其余所有部件采用的單元類型為CPE4。

3.2 加固效果分析

3.2.1塑性滑動面

圖3為加固前與加固后，塑性滑動面云圖。

圖3 各加固方案下塑性滑動面云圖注：(a)未加固前；(b)軟弱層加樁；(c)坡腳處加抗滑樁；(d)潛在滑動面加土工格柵；(e)強(qiáng)夯。

由圖3可知：

(1)未加固時，滑動面通過坡腳處軟弱層，并且滑動面集中于坡腳位置，沒有貫通整個路堤，引發(fā)局部失穩(wěn)。

(2)在對軟弱層加混凝土樁后，滑動面自坡腳與第二級坡面處同時開始發(fā)展，貫通至路面左端，引發(fā)路堤整體失穩(wěn)，滑動面接近坡面。

(3)進(jìn)一步對路堤加抗滑樁處理后，阻斷了坡腳處滑動面的發(fā)展，主滑動面不再與坡腳塑性區(qū)貫通，而是沿抗滑樁壁向上至坡面?；瑒用娣秶鷾p小，滑動面更為接近坡面。

(4)根據(jù)(b)圖所確定的滑動面，采用土工格柵覆蓋后(鋪設(shè)長度取30m)，土拱格柵將滑體與路堤內(nèi)部相連接，形成穩(wěn)定的整體，滑動面向路堤內(nèi)部發(fā)展，遠(yuǎn)離坡面。

(5)強(qiáng)夯處理后，對路堤的滑動面形態(tài)和分布情況，影響很小，基本與加土工格柵后相同。

3.2.2安全系數(shù)

綜合3種路堤達(dá)到臨界狀態(tài)判別方法：

(1)數(shù)值計(jì)算收斂與否；

(2)特征部位位移拐點(diǎn)；

(3)是否形成連續(xù)的貫通區(qū)，確定各種加固方案下的安全系數(shù)，如表3所示。

表3 各加固方案安全系數(shù)

由表2可知：①僅對軟弱層進(jìn)行加樁處理，就使得安全系數(shù)增大17.6%，效果非常明顯。②進(jìn)一步加抗滑樁后，安全系數(shù)增大不多，可見抗滑樁對于此路堤的穩(wěn)定性影響很小。③再對路堤部分覆蓋土拱格柵后，安全系數(shù)增大明顯，表明路堤加土工格柵有利于提高穩(wěn)定性，且效果明顯。④強(qiáng)夯后，路堤安全系數(shù)變化不大，說明強(qiáng)夯對路堤穩(wěn)定性影響不大。

3.2.3位移

提取路堤經(jīng)過4種方案加固后，路基頂面水平位移與沉降量，如圖4所示，其中路面左側(cè)為橫坐標(biāo)原點(diǎn)。

圖4 4種加固方案路基頂面位移

如圖4可知：

(1)4種加固方案路基頂面水平位移由左往右逐漸增大，在最右側(cè)取得最大值。

(2)前3種加固方案水平位移基本相同，但經(jīng)過強(qiáng)夯后，水平位移量大幅減小。

(3)4種加固方案路基頂面沉降量由左往右逐漸減小，0～10m范圍沉降量基本相同，60m處取得最小值。

(4)前3種加固方案沉降量基本相同，強(qiáng)夯后沉降量明顯減小。

這些都說明，前3種加固方案對路堤變形影響很小，但強(qiáng)夯能夠大幅提高路堤穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

綜上所述，得到如下結(jié)論：

(1)超高路堤滑動面形態(tài)、位置及安全系數(shù)會隨加固方案的逐步完善而變化。

(2)此工程下，對軟弱層加固是非常必要的，安全系數(shù)從1.08變?yōu)?.27，提高幅度較大，而抗滑樁的設(shè)立安全系數(shù)只增加到1.34，變化不大，影響較小，可以酌情考慮是否添加

(3)土工格柵的鋪設(shè)使得安全系數(shù)增加到1.67，能夠進(jìn)一步有效提高此超高路堤穩(wěn)定性，效益明顯；強(qiáng)夯雖然對此超高路堤安全系數(shù)影響很小(僅增加到1.70)，但對減小路堤變形起到非常明顯的效果，應(yīng)該考慮對此超高路堤進(jìn)行強(qiáng)夯。

(4)綜合考慮地質(zhì)地形情況及經(jīng)濟(jì)效益，最終確定加固方案為：軟弱層加樁處理，坡腳處設(shè)立抗滑樁，潛在滑動面處鋪設(shè)土工格柵，并對土石混合料進(jìn)行強(qiáng)夯處理。這種處理方案能夠滿足超高路堤變形和穩(wěn)定的要求。